Koherenttien virheiden karakterisointi ja lieventäminen loukkuun jääneessä ionikvanttiprosessorissa käyttämällä piilotettuja käänteisiä

Koherenttien virheiden karakterisointi ja lieventäminen loukkuun jääneessä ionikvanttiprosessorissa käyttämällä piilotettuja käänteisiä

Aikaleima: 15. toukokuuta 2023 klo 8

Swarnadeep Majumder1,2, Christopher G. Yale3, Titus D. Morris4, Daniel S. Lobser3, Ashlyn D. Burch3, Matthew NH Chow3,5,6, Melissa C. Revelle3, Susan M. Clark3ja Raphael C. Pooser4

1Duke Quantum Center, Duke University, Durham, NC 27701, USA
2Sähkö- ja tietokonetekniikan laitos, Duke University, Durham, NC 27708 USA
3Sandia National Laboratories, Albuquerque, NM 87123, USA
4Quantum Information Science Section, Oak Ridge National Laboratory, Oak Ridge, TN 37831, USA
5Fysiikan ja tähtitieteen laitos, New Mexicon yliopisto, Albuquerque, NM 87131, USA
6Kvanttitietojen ja valvonnan keskus, University of New Mexico, Albuquerque, NM 87131, USA

Onko tämä artikkeli mielenkiintoinen vai haluatko keskustella? Scite tai jätä kommentti SciRate.

Abstrakti

Kvanttilaskentatesteissä on korkealaatuinen kvanttiohjaus pienissä kubittikokoelmissa, mikä mahdollistaa tarkkojen, toistettavien toimintojen suorittamisen ja mittausten suorittamisen. Tällä hetkellä nämä meluisat keskikokoiset laitteet voivat tukea riittävää määrää peräkkäisiä operaatioita ennen dekoherenssia, jotta lähiajan algoritmit voidaan suorittaa lähitarkkuudella (kuten kemiallinen tarkkuus kvanttikemian ongelmissa). Vaikka näiden algoritmien tulokset ovat epätäydellisiä, nämä epätäydellisyydet voivat auttaa käynnistämään kvanttitietokoneiden testialustan kehitystä. Näiden algoritmien demonstraatiot viime vuosien aikana yhdessä ajatuksen kanssa, että algoritmien epätäydellinen suorituskyky voi johtua useista kvanttiprosessorissa olevista hallitsevista kohinalähteistä, jotka voidaan mitata ja kalibroida algoritmin suorittamisen tai jälkikäsittelyn aikana, ovat johtaneet siihen, että melunvaimennus tyypillisten laskentatulosten parantamiseksi. Sitä vastoin vertailualgoritmit yhdistettynä melunvaimennuksen kanssa voivat auttaa diagnosoimaan kohinan luonteen, olipa kyseessä järjestelmällinen tai täysin satunnainen. Tässä hahmotellaan koherenttien melunvaimennustekniikoiden käyttöä karakterisointityökaluna loukkuun jääneissä ioneissa. Suoritamme kohinatiedon mallisovituksen melun lähteen määrittämiseksi realististen fysiikkapainotteisten melumallien perusteella ja osoitamme, että systemaattinen kohinanvahvistus yhdistettynä virheenvaimennusmenetelmiin tarjoaa hyödyllistä dataa melumallin päättelyyn. Lisäksi, jotta voimme yhdistää alemman tason melumallin yksityiskohdat lähiajan algoritmien sovelluskohtaiseen suorituskykyyn, rakennamme kokeellisesti variaatioalgoritmin häviömaiseman erilaisten injektoitujen melulähteiden alaisena yhdessä virheiden lieventämistekniikoiden kanssa. Tämän tyyppinen yhteys mahdollistaa sovellustietoisen laitteistokoodisuunnittelun, jossa tärkeimmät melulähteet tietyissä sovelluksissa, kuten kvanttikemiassa, tulevat parannuskeskuksiin seuraavissa laitteistosukupolvissa.

Koherenttien virheiden karakterisointi ja lieventäminen loukkuun jääneessä ionikvanttiprosessorissa käyttämällä piilotettuja käänteisiä PlatoBlockchain Data Intelligenceä. Pystysuuntainen haku. Ai.

Suositeltu kuva: Vaiheavaruuspopulaatio (todennäköisyys mitata $|0rangle$) sen jälkeen, kun [$H- X(Theta)- Z(Phi)- H^dagger$]$^{100}$ on käytetty funktiona $|0rangle$ $Theta, Phi$ simulaatiota ja kokeilua varten. Piilotetut käänteiset protokollat ​​voivat tarjota tarkan ja halvan yhden kubitin karakterisoinnin.

Suosittu yhteenveto

NISQ-aikakauden kvanttitietokoneet ovat määritelmänsä mukaan meluisia ja epätäydellisiä, ja ne vaativat menetelmiä virheiden lieventämiseksi piirien suorituskyvyn parantamiseksi. Tässä artikkelissa osoitamme, että piilotettu käänteistekniikka voi toimia sekä virheiden lieventämiseen että virheiden karakterisointiin. Piilotetut käänteisportit perustuvat kykyyn rakentaa piirejä ei-natiivisilla komposiittiporteilla, jotka ovat itseliittyviä (kuten Hadamard tai ohjattu-NOT), mikä tarkoittaa, että ne voidaan rakentaa sarjan laitteiston natiiviporttien tai samojen alkuperäisten käänteisten porttien kautta. allekirjoituksessa ja aikatilauksessa. Käytämme loukkuun jääneen ionin kvanttitietokonetta, esitämme ensin kokeen, jossa Hadamard ja sen käänteiset vuorottelevat pienillä virhekierroksilla. Sovitamalla tulokset yksinkertaiseen malliin voimme sitten karakterisoida järjestelmän koherentit virheet ja nähdä, kuinka ne virheet ajautuvat ajan myötä. Käytämme sitten kontrolloitua-NOT ja sen käänteistä variaatiokvanttiominaisratkaisijassa. Tarkoituksenmukaisella virheinjektiolla osoitamme, että piilotettujen käänteisten protokollien avulla rakennetut piirit toimivat paremmin kuin toinen virheenhallintatekniikka, satunnaistettu kääntäminen. Tutkimme edelleen virheiden lieventämistä tässä järjestelmässä fermionitiheysmatriikan puhdistuksen avulla, joka on jälkikäsittelymenetelmä. Tämän tutkimuksen avulla havaitsemme, että saman tekniikan, nimittäin piilotettujen käänteisten, käyttäminen sekä laitteiston virhelähteiden karakterisoimiseksi että lieventämiseksi samalla lähestymistavalla on tehokas työkalu NISQ-aikakauden kvanttitietokoneille.

► BibTeX-tiedot

► Viitteet

[1] JJ Wallman ja J. Emerson, Physical Review A 94, 052325 (2016), kustantaja: American Physical Society.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.94.052325

[2] B. Zhang, S. Majumder, PH Leung, S. Crain, Y. Wang, C. Fang, DM Debroy, J. Kim ja KR Brown, Phys. Rev. Applied 17, 034074 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevApplied.17.034074

[3] L. Egan, DM Debroy, C. Noel, A. Risinger, D. Zhu, D. Biswas, M. Newman, M. Li, KR Brown, M. Cetina ja C. Monroe, Nature 598, 281 (2021) .
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41586-021-03928-y

[4] S. Krinner, N. Lacroix, A. Remm, A. Di Paolo, E. Genois, C. Leroux, C. Hellings, S. Lazar, F. Swiadek, J. Herrmann, GJ Norris, CK Andersen, M. Müller , A. Blais, C. Eichler ja A. Wallraff, Nature 605, 669 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41586-022-04566-8

[5] C. Ryan-Anderson, J. Bohnet, K. Lee, D. Gresh, A. Hankin, J. Gaebler, D. Francois, A. Chernoguzov, D. Lucchetti, N. Brown, T. Gatterman, S. Halit, K. Gilmore, J. Gerber, B. Neyenhuis, D. Hayes ja R. Stutz, Physical Review X 11, 041058 (2021), kustantaja: American Physical Society.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.11.041058

[6] R. Blume-Kohout, JK Gamble, E. Nielsen, J. Mizrahi, JD Sterk ja P. Maunz, arXiv preprint arXiv:1310.4492 (2013).
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.1310.4492
arXiv: 1310.4492

[7] BR Johnson, kansanedustaja d. Silva, CA Ryan, S. Kimmel, JM Chow ja TA Ohki, New Journal of Physics 17, 113019 (2015), kustantaja: IOP Publishing.
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​17/​11/​113019

[8] E. Nielsen, K. Rudinger, T. Proctor, K. Young ja R. Blume-Kohout, New Journal of Physics 23, 093020 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​ac20b9

[9] PD Nation, H. Kang, N. Sundaresan ja JM Gambetta, PRX Quantum 2, 040326 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.040326

[10] Y. Kim, CJ Wood, TJ Yoder, ST Merkel, JM Gambetta, K. Temme ja A. Kandala, Nature Physics 10.1038/​s41567-022-01914-3 (2023).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41567-022-01914-3

[11] E. Peters, ACY Li ja GN Perdue, arXiv:2105.08161 [quant-ph] (2021), arXiv: 2105.08161.
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.2105.08161
arXiv: 2105.08161

[12] A. Strikis, D. Qin, Y. Chen, SC Benjamin ja Y. Li, PRX Quantum 2, 040330 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.040330

[13] C. Piveteau, D. Sutter, S. Bravyi, JM Gambetta ja K. Temme, Phys. Rev. Lett. 127, 200505 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.127.200505

[14] R. LaRose, A. Mari, S. Kaiser, PJ Karalekas, AA Alves, P. Czarnik, M. El Mandouh, MH Gordon, Y. Hindy, A. Robertson, P. Thakre, M. Wahl, D. Samuel, R. Mistri, M. Tremblay, N. Gardner, NT Stemen, N. Shammah ja WJ Zeng, Quantum 6, 774 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2022-08-11-774

[15] S. Zhang, Y. Lu, K. Zhang, W. Chen, Y. Li, J.-N. Zhang ja K. Kim, Nature Communications 11, 587 (2020), arXiv: 1905.10135.
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41467-020-14376-z

[16] P. Czarnik, A. Arrasmith, PJ Coles ja L. Cincio, Quantum 5, 592 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2021-11-26-592

[17] Y. Suzuki, S. Endo, K. Fujii ja Y. Tokunaga, PRX Quantum 3, 010345 (2022).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.3.010345

[18] K. Temme, S. Bravyi ja JM Gambetta, Phys. Rev. Lett. 119, 180509 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.119.180509

[19] E. vd Berg, ZK Minev, A. Kandala ja K. Temme, arXiv preprint arXiv:2201.09866 (2022).
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.2201.09866
arXiv: 2201.09866

[20] V. Leyton-Ortega, S. Majumder ja RC Pooser, Quantum Science and Technology 8, 014008 (2022).
https://​/​doi.org/​10.1088/​2058-9565/​aca92d

[21] K. Yeter-Aydeniz, BT Gard, J. Jakowski, S. Majumder, GS Barron, G. Siopsis, TS Humble ja RC Pooser, Advanced Quantum Technologies 4, 2100012 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1002 / qute.202100012

[22] SM Clark, D. Lobser, MC Revelle, CG Yale, D. Bossert, AD Burch, MN Chow, CW Hogle, M. Ivory, J. Pehr, B. Salzbrenner, D. Stick, W. Sweatt, JM Wilson, E Winrow ja P. Maunz, IEEE Transactions on Quantum Engineering 2, 1 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1109 / TQE.2021.3096480

[23] S. Olmschenk, KC Younge, DL Moehring, DN Matsukevich, P. Maunz ja C. Monroe, Phys. Rev. A 76, 052314 (2007).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.76.052314

[24] P. Maunz, Tech. Rep. SAND2016-0796R 10.2172/​1237003 (2016).
https: / / doi.org/ 10.2172 / +1237003

[25] D. Hayes, D. N. Matsukevich, P. Maunz, D. Hucul, Q. Quraishi, S. Olmschenk, W. Campbell, J. Mizrahi, C. Senko ja C. Monroe, Phys. Rev. Lett. 104, 140501 (2010).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.104.140501

[26] S. Debnath, NM Linke, C. Figgatt, KA Landsman, K. Wright ja C. Monroe, Nature 536, 63 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature18648

[27] PJ Lee, K.-A. Brickman, L. Deslauriers, PC Haljan, L.-M. Duan ja C. Monroe, Journal of Optics B: Quantum and Semiclassical Optics 7, S371 (2005).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1464-4266/​7/​10/​025

[28] L. Deslauriers, PC Haljan, PJ Lee, K.-A. Brickman, BB Blinov, MJ Madsen ja C. Monroe, Phys. Rev. A 70, 043408 (2004).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.70.043408

[29] BCA Morrison, AJ Landahl, DS Lobser, KM Rudinger, AE Russo, JW Van Der Wall ja P. Maunz, vuonna 2020 IEEE International Conference on Quantum Computing and Engineering (QCE) (2020), s. 402–408.
https: / / doi.org/ 10.1109 / QCE49297.2020.00056

[30] D. Lobser, J. Goldberg, A. Landahl, P. Maunz, B. Morrison, K. Rudinger, A. Russo, B. Ruzic, D. Stick, J. Van Der Wall ja SM Clark, Jaqalpaw Opas pulssien ja aaltomuotojen määrittely jaqalille (2021).
https://​/​www.sandia.gov/​app/​uploads/​sites/​174/​2023/​03/​JaqalPaw__A_Guide_to_Defining_Pulses_and_Waveforms_for_Jaqal2.pdf

[31] P. Virtanen, R. Gommers, TE Oliphant, M. Haberland, T. Reddy, D. Cournapeau, E. Burovski, P. Peterson, W. Weckesser, J. Bright, SJ van der Walt, M. Brett, J. Wilson, KJ Millman, N. Mayorov, ARJ Nelson, E. Jones, R. Kern, E. Larson, CJ Carey, İ. Polat, Y. Feng, EW Moore, J. VanderPlas, D. Laxalde, J. Perktold, R. Cimrman, I. Henriksen, EA Quintero, CR Harris, AM Archibald, AH Ribeiro, F. Pedregosa, P. van Mulbregt, ja SciPy 1.0 Contributors, Nature Methods 17, 261 (2020).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41592-019-0686-2

[32] A. McCaskey, ZP Parks, J. Jakowski, SV Moore, TD Morris, TS Humble ja RC Pooser, NPJ Quantum Inf 5, 99 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41534-019-0209-0

[33] NC Rubin, R. Babbush ja J. McClean, New Journal of Physics 20, 053020 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1088 / 1367-2630 / aab919

[34] DJ Wineland, C. Monroe, WM Itano, D. Leibfried, BE King ja DM Meekhof, Journal of Research of the National Institute of Standards and Technology 103, 259 (1998).
https: / / doi.org/ 10.6028 / jres.103.019

Viitattu

[1] He-Liang Huang, Xiao-Yue Xu, Chu Guo, Guojing Tian, ​​Shi-Jie Wei, Xiaoming Sun, Wan-Su Bao ja Gui-Lu Long, "Lähiajan kvanttilaskentatekniikat: vaihtelevat kvanttialgoritmit, virheiden lieventäminen, piirien käännös, benchmarking ja klassinen simulointi”, Science China Physics, Mechanics and Astronomy 66 5, 250302 (2023).

[2] Zhubing Jia, Shilin Huang, Mingyu Kang, Ke Sun, Robert F. Spivey, Jungsang Kim ja Kenneth R. Brown, "Kulman kestävät kahden kubitin portit lineaarisessa ionikiteessä", Fyysinen arvio A 107 3, 032617 (2023).

[3] Gabriele Cenedese, Giuliano Benenti ja Maria Bondani, "Koherenttien virheiden korjaaminen satunnaisoperaatiolla todellisessa kvanttilaitteistossa", Entropia 25 2, 324 (2023).

[4] Mingyu Kang, Ye Wang, Chao Fang, Bichen Zhang, Omid Khosravani, Jungsang Kim ja Kenneth R. Brown, "Designing Filter Functions of Frequency-Modulated Pulses for High-Fidelity Two-Qubit Gates in Ion Chains", Fyysinen tarkastelu sovellettu 19 1, 014014 (2023).

[5] Ashlyn D. Burch, Daniel S. Lobser, Christopher G. Yale, Jay W. Van Der Wall, Oliver G. Maupin, Joshua D. Goldberg, Matthew NH Chow, Melissa C. Revelle ja Susan M. Clark, "Eräpiirit kvanttiohjauslaitteiston kääntämisen vähentämiseksi", arXiv: 2208.00076, (2022).

Yllä olevat sitaatit ovat peräisin SAO: n ja NASA: n mainokset (viimeksi päivitetty onnistuneesti 2023-05-16 13:02:44). Lista voi olla puutteellinen, koska kaikki julkaisijat eivät tarjoa sopivia ja täydellisiä viittaustietoja.

On Crossrefin siteerattu palvelu tietoja teosten viittaamisesta ei löytynyt (viimeinen yritys 2023-05-16 13:02:43).

Tämä kirja on julkaistu Quantum - lehdessä Creative Commons Nimeäminen 4.0 Kansainvälinen (CC BY 4.0) lisenssin. Tekijänoikeudet säilyvät alkuperäisillä tekijänoikeuksien haltijoilla, kuten tekijöillä tai heidän instituutioillaan.

Aikaleima:

Lisää aiheesta Quantum Journal